摩托车轮毂结构优化设计探析

摩托车轮毂结构优化设计探析

薛冰奇

威海万丰镁业科技发展有限公司  山东 威海 264200

摘要：近些年来我国社会经济发展速度迅猛，推动着社会各领域的优化与升级，尤其是各种新型科学技术的出现，为各行各业的发展奠定了坚实的基础，在这样的时代背景之下，我国公民物质生活水平逐步提升，对于各项物质基础工具的要求也在稳步的攀升。摩托车作为我国公民日常出行的主要交通工具之一，备受社会各界的广泛关注，本文立足于摩托车轮毂结构展开分析，并且结合其结构优化过程中存在的问题提出相应的优化措施，希望能够完善摩托车轮毂结构优化的设计方案，为我国摩托车行业的健康稳定发展贡献新的思路与方向。

关键词：摩托车轮毂，结构优化方案，问题与对策

一、摩托车轮毂优化的重要性

轮毂是摩托车承载的重要安全部件，安全性要求很高。除受正压力外，还承受气动、制动时扭矩的交互作用以及行驶过程中转弯、冲击等来自各方向的不规则受力 ，而且车轮高速旋转中轮毂会在一定程度上影响车辆平稳性 、操作性等性能 。轮毂结构优化设计主要考虑行驶中的要求：①获得满意的结构动态疲劳抗力，确保在设计服役寿命期不出现疲劳失效 ；②确保应力高度集中的连接部位能承受冲击服役扭力而不产生失效 ；③能在意外冲击载荷下通过塑性变形吸收能量,减小对驾乘者的伤害。本文针对摩托车设计开发主要以经验设计为主、车型单一、周期长的问题，应用有限元分析计算软件对摩托车轮毂3D模型进行结构分析,提出了轮毂的结构优化设计方案,可作为摩托车实际设计制造的理论参考。

二、轮毂基本结构形状

摩托车轮毂材料为ZL101铝合金，屈服强度140 MPa，弹性模量E=0.7×10" N/m2，泊松比=0.3,密度p=2.7 kg/m3。,计算模型的具体尺寸根据基础数据确定。在分析现有轮毂相关数据基础上,综合考虑造型美观的原则,进行轮毂结构优化设计。结构优化设计后的摩托车轮毂结构形状具有简洁、美观、前后轮统一协调的特点。

三、轮毂静强度分析

3.1建立几何模型

根据轮毂基本结构形状和基础数据在专业软件中建立轮毂几何模型，并去除原轮毂模型中对结构受力情况影响不大的导角、合并部分、微小曲面。

3.2建立有限元模型

对于实体的几何模型进行网格式的划分，能够使得最终的分析结果更具安全性和可靠性，并且整体的信息分析结果，具有着精准性的特点，可以采用划分三角形网格从而形成四面体实体单元。以此来进行相应的应力结构计算和稳定性计算，在进行计算的过程中，应该对结构优化前后的轮毂进行有限模型的运算，尤其要高度重视有限元模型之中，单面体节点和单元的计算，确保每一个单元都处于应力计算的覆盖范围之内。

3.3约束及加载情况

轮毂静强度分析载荷分为径向载荷和轴向载荷，径向载荷按受力部位不同又分为辐条端部受径向力和两辐条之间轮圈受径向力两种情况.径向载荷作用时，约束轮毂中心安装轮轴曲面；轴向载荷作用时，约束轮毂轮圈外边缘曲面.图一、二分别为径向力作用于辐条端部的前轮轮毂的约束及加载方式。

图一、结构优化设计前的轮毂有限元模型

图二、结构优化设计后的轮毂有限元模型

由于分析之前无法确定多大载荷,，这将会导致轮毂失效,为更好地切合轮毂实际受力情况，施加较大的载荷到轮毂上,最后按照线弹性方式将轴向和径向载荷转变为ZL101材料屈服强度时的载荷。

3.4静强度分析

在进行结构优化设计之前，荷载的作用之下，针对轮毂的局部强度分析，最终得出分析结果,轮毂的结构优化设计,是通过调整幅板结构及其与外轮圈的连接结构,降低轮毂工作应力水平及应力集中程度，确保轮毂整体工作在轮毂材料的疲劳极限之下,因此最终的结构优化设计方案应保证轮毂品在获得更高安全系数的同时,不增加轮毂的材料使用体积,达到通过结构优化设计实现减重。进行结构优化设计之后，摩托车轮毂的两幅条之间局部静强度也发生了明显的变化。

四、结果讨论

依据 YonMises应力等效准则 ，应用有限元程序完成轮毂的有限元分析及计算结果的后处理。轮毂转动过程中某一瞬间的轮毂整体等效应力分布状况，由于服役条件相同，服役中轮毂接近地面的幅板要承受绝大部分车重 ，因此应力分布偏大且局部过渡部位出现严重的应力集中。结构改进后轮毂的应力值普遍降低，在曲线的最高点处，其对应的应力集中部位在转动时，会出现最大的应力值，这将会极大程度减缓应力集中程度。

本文介绍了摩托车轮毂，在进行结构优化之后的数据分析，通过有限元建模和静强度分析过程和方法针对轮毂的强度进行了科学有效的分析，并且探讨了结构优化设计方案改革之后所带来的变化。总体来说，径向荷载和轴向荷载的作用之下，经过设计后的对比，轮毂的钢度和强度都有了明显的上升。

五、结束语

综上所述，摩托车轮毂经过了结构的优化设计之后，自身的性能有了明显的提升，能够有效的提高自身的承载能力和安全性，能够为摩托车自身的发展和优化奠定坚实的基础。

参考文献：
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[2]安文斗,夏铭,高政川,张所容.摩托车轮毂加工生产中爆炸性金属粉尘的实时在线监测设计[J].自动化与仪器仪表,2017(01):168-169+173.